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如何用网络分析仪测量双向直流电源的群延迟？

2025-12-03 09:39:11 点击：

使用网络分析仪测量双向直流电源的群延迟需结合其相位测量功能与微分计算，通过分析电源输入/输出端的相位响应间接推导群延迟。由于直流电源的群延迟测量需关注低频或直流特性，需选择支持低频测量的网络分析仪（如Keysight E5061B，频率范围100kHz~30MHz），并配合以下步骤进行：

群延迟（ $τ^{g}$ ）定义为相位响应（ $ϕ$ ）对角频率（omega）的负导数：

τ^{g} = - \frac{dϕ}{d ω}

网络分析仪通过测量输入/输出端的S参数（如S21）的相位信息，结合微分算法（如数值微分或多项式拟合微分）计算群延迟。对于双向直流电源，需分别测量：

网络分析仪：
- 支持低频测量（如100kHz~30MHz），覆盖电源的工作频率范围。
- 具备相位测量和微分计算功能（如Keysight PNA系列或E5061B）。
测试线缆与适配器：
- 使用低损耗、高屏蔽性能的同轴线缆（如RG405或RG402），减少信号衰减和干扰。
- 选择与电源接口匹配的适配器（如N型转SMA型）。
双向直流电源：
- 待测电源（如48V输入、12V输出的DC-DC转换器）。
- 配置电源为双向模式（若支持），或通过外部电路实现能量回馈（如电子负载的再生模式）。
负载：
- 电子负载（如Chroma 6310A）或电阻箱，用于调整输出功率。

正向传输测量：
- 将网络分析仪的Port 1通过测试线缆连接至电源输入端。
- 将Port 2连接至电源输出端。
- 电子负载连接至电源输出端，设置输出电流（如 $I^{out} = 5 A$ ）。
反向传输测量：
- 将电子负载设置为再生模式（能量回馈至电源输入端）。
- 网络分析仪的Port 1连接至电源输出端，Port 2连接至输入端。
- 调整电子负载的回馈功率（如 $P^{f eedbac k} = 100 W$ ）。

校准网络分析仪：
- 选择校准类型：双端口校准（Full 2-Port Cal），覆盖测试频率范围（如100kHz~10MHz）。
- 使用校准件（如Keysight 85052D）依次连接至Port 1和Port 2，完成开路、短路、负载校准。
设置测量参数：
- 频率范围：覆盖电源的工作频率（如100kHz~10MHz）。
- 扫描点数：设置为1001点或更高，提高测量分辨率。
- 平均次数：设置为10次或更高，降低噪声影响。
- 显示格式：选择“Phase”（相位）和“Group Delay”（群延迟）。
测量正向群延迟：
- 启动电子负载，设置输出电流（如 $I^{out} = 5 A$ ）。
- 点击网络分析仪的“Measure”按钮，记录正向传输（S21）的相位和群延迟曲线。
- 保存数据至文件（如CSV格式），供后续分析。
测量反向群延迟：
- 将电子负载切换至再生模式，设置回馈功率（如 $P^{f eedbac k} = 100 W$ ）。
- 记录反向传输（S12）的相位和群延迟曲线。
数据分析：
- 使用MATLAB或Python读取保存的数据，绘制群延迟随频率变化的曲线。
- 分析曲线特性：
  - 平坦度：群延迟在频带内是否稳定（如±10ns以内）。
  - 峰值/谷值：是否存在异常波动（可能由电源内部滤波器或开关器件引起）。
  - 双向差异：正向与反向群延迟是否对称（反映电源的双向传输特性）。

低频测量精度：
- 直流电源的群延迟主要关注低频特性（如kHz级），需确保网络分析仪在低频段的相位测量精度（如相位噪声<0.1°）。
- 若网络分析仪低频性能不足，可改用时间域反射仪（TDR）或示波器配合脉冲信号测量时延。
电磁兼容性（EMC）：
- 测试环境需符合EMC要求，避免外部干扰（如开关电源的电磁辐射）影响测量结果。
- 使用屏蔽箱或电波暗室进行测试，或缩短测试线缆长度（如<1m）。
负载稳定性：
- 电子负载需设置足够的响应时间（如<1ms），以匹配电源的动态特性。
- 避免负载突变导致电源过压/过流保护，影响群延迟测量。
温度影响：
- 电源内部元件（如电感、电容）的参数可能随温度变化，导致群延迟漂移。
- 在恒温环境中测试，或记录环境温度并分析其对结果的影响。

若网络分析仪无法满足低频群延迟测量需求，可采用以下方法：